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愛因斯坦的數學遺憾

  • 發佈時間:2016-01-02 01:30:44  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  100年前歲暮的一天(11月25日),愛因斯坦終於寫出了引力場方程的最終形式。

  他從1907年發現等效原理到1915年6月,幾乎一直在玩兒錯誤的引力理論,直到7月到10月間才發現舊理論的錯誤——根據因果律對一般協變性的限制錯了,水星近日點的計算錯了(差了一倍),引力的拉格朗日量的唯一性證明也錯了;不但這些大問題有錯,他對張量的基本認識也有錯——“幸運”的是,那些錯誤永遠留在他的“8年抗戰史”中了,我們才有機會來看輝煌背後的艱辛。在那些年裏,他常常表現出猶豫和遲疑:老説他發現了理論的最終形式,幾個月後又否定了前面的東西,然後又“自信地”提出一個不同的綱領。(他1915年12月26日給P. 埃倫費斯特寫信説,他每年都在抹去前一年寫的東西。

  直到最後的關頭,愛因斯坦還在遊移不定。11月7日,他從線性變換的約束中解脫出來(這時才明確坐標係沒有實在意義),但保留了幺模變換的約束(這個問題小一些),可11日又倒退了,為度規強加了一個更嚴格的約束。12日他給希爾伯特寫信説那個約束“強化了一般協變性”。

  18日,他依然堅持兩個約束,卻解決了影響廣義相對論命運的兩個大問題:水星近日點的進動和光線經過太陽的偏折。他很幸運,這兩個情形可以用真空度規,他的約束不會帶來麻煩,所以錯誤的理論得到了正確的結果。

  25日,我們熟悉的場方程出來了。然而,愛因斯坦到這個時候都不知道張量分析的比安基恒等式,因而不知道他的場方程自然蘊含了守恒律;他還多事地將守恒律作為場方程的一個額外約束。

  這段經歷令老愛難忘。1933年6月20日,他從德國跑出來,在英國格拉斯哥大學講廣義相對論的起源説,“在黑暗中探尋我們感覺到卻説不出的真理的歲月裏,渴望越來越強,信心時來時去,心情焦慮不安,最後終於穿過迷霧看到光明,這一切,只有親身經歷過的人才會明白。”

  場方程的曲折經歷很好反映了愛因斯坦的物理的自信和數學的猶豫,而這似乎一直伴隨著他1905年以後的科學生涯。他有時相信純粹的思維能把握實在,卻不相信形式化的論證能作為指引物理學進步的路標。看來,他的純粹思維主要還是説物理的直覺,如追光和時間盒子一樣的思想實驗。20世紀30年代,他説他始終欣賞相對論的簡單和諧,並不在乎幾個“小小的觀測預言”。他説廣義相對論純粹是關於自然的一個形式化觀點,而不是確定的假設。1917年3月4日,他給F.克萊因寫信説,牛頓理論看起來是用勢函數完整表達了引力場,但它被度規函數取代了;我毫不懷疑,度規也終有被取代的一天。可是,當老克指出麥克斯韋方程的共形不變性時,老愛説老克高估了“形式化觀點”的作用——它們只能作為最終的形式,而不能作為最初的啟示。當外爾拿規範場(那會兒還是雛形且有問題)給他看時,他也只關心它的當下的物理基礎而看不見它未來的生命。

  詹姆斯·格雷克在費曼傳記(Genius, the life and science of Richard Feynman)中説,費曼對戴森——1948年去普林斯頓卻發現老愛的新論文儘是廢話的傢夥——説過,愛因斯坦的創造力都來自他的物理直覺,他去玩兒方程(manipulator of eqyations)以後,就停止創造了。最後這個詞兒有意思,説愛因斯坦玩兒方程——他對數學的認識,大概也就在解方程的層次。看來,老愛的方法論底線是物理直覺和直覺産生的“自由概念”,他對數學形式的態度總是遲疑甚至保守的。敏銳的物理直覺成就了愛因斯坦,而遲鈍的數學感覺影響了他的直覺的發揮。

  老愛曾為自己設立了“三個要務(three desiderata)”:統一引力與電磁力,從因果律導出量子論,用連續場論的無奇點解描述基本粒子。遺憾的是,這幾個領域都不是僅憑物理直覺能指引的。40歲以後的愛因斯坦逐漸退出了物理學舞臺的中央,甚至最後被主流“晾在一邊”了。普遍認為是他“失去了早年對物理學真理的非凡直覺”,但我想更大的原因可能是他的數學帶不動他的直覺了,借派斯的話説,他“被牽著一步步走進了他自己都不能做出可靠的專業判斷的領域”。

  他為自己設立了三個基本任務:統一引力與電磁力,從因果律導出量子論,用連續場論的無奇點解描述基本粒子。遺憾的是,這幾個領域不是直覺能指引的,甚至已經超出了他的判斷能力。

  看來,老愛的方法論底線是物理直覺和直覺産生的“自由概念”,他對數學形式的態度總是遲疑甚至保守的。敏銳的物理直覺成就了愛因斯坦,而遲鈍的數學感覺影響了他的直覺的發揮。詹姆斯·格雷克(James Gleick)在費曼傳記(Genius, the life and science of Richard Feynman)中説,費曼對戴森(Dyson)——1948年去普林斯頓卻發現老愛的新論文儘是廢話的人——説過,愛因斯坦的創造力都來自他的物理直覺,他去玩兒方程以後,就停止創造了。最後這個詞兒有意思,説愛因斯坦玩兒方程——他對數學的認識,大概也就在解方程的層次。

  40歲以後的愛因斯坦逐漸退出了物理學舞臺的中央,甚至最後被主流“晾在一邊”了。普遍認為是他“失去了早年對物理學真理的非凡直覺”,但更大的原因似乎是他的數學帶不動他的直覺了,借派斯的話説,他“被牽著一步步走進了他自己都不能做出可靠的專業判斷的領域”。

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